WO2014196451A1 - スターリングエンジン - Google Patents

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阿部　誠
将 尾▲崎▼
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    • F02G2244/06—Single-acting two piston engines of stationary cylinder type
    • F02G2244/12—Single-acting two piston engines of stationary cylinder type having opposed pistons

Definitions

  • the present invention relates to a Stirling engine.
  • a free piston Stirling engine generally includes a power piston (output piston) that reciprocates within a power cylinder and a displacer piston (displacer) that reciprocates within a displacer cylinder.
  • the Stirling engine operates using a simple vibration of a spring mass system. For this reason, since the whole Stirling engine will vibrate greatly, the counterweight is arrange
  • the counterweight In the conventional product in which the counterweight is arranged, the counterweight requires at least the same mass as that of the power piston and the displacer piston, and also requires a spring or the like for supporting the counterweight. For this reason, there exists a problem that the weight and volume of the whole Stirling engine increase uselessly.
  • an object of the present invention is to provide a Stirling engine that can suppress the occurrence of vibrations associated with the reciprocating motion of the power piston and the displacer piston without unnecessarily increasing the weight and volume of the entire Stirling engine.
  • a Stirling engine includes a pair of power pistons arranged opposite to each other in a power cylinder and a pair of displacer cylinders arranged opposite to each other with the power cylinder interposed therebetween. Displacer pistons arranged respectively.
  • the Stirling engine includes a phase reversal mechanism that transmits a reciprocating motion of the displacer piston to the power piston with a phase reversed, and between the displacer piston and the phase reversal mechanism or between the power piston and the phase reversal mechanism. And a phase adjusting spring that is provided in between and adjusts the phase of the power piston to be delayed by 90 degrees from the phase of the displacer piston.
  • FIG. 1 is a schematic configuration diagram of a free piston Stirling engine according to an embodiment of the present invention. It is a figure which shows the phase difference of a power piston and a displacer piston.
  • a free piston Stirling engine 10 (hereinafter simply referred to as a Stirling engine) 10 according to the present embodiment includes a power piston 11, a displacer piston 12, a phase reversing mechanism 13, and a phase adjustment spring 14. ing.
  • the power piston 11 reciprocates in the power cylinder 15 and is disposed in a pair facing the power cylinder 15.
  • the pair of power pistons 11 are set to have the same mass and shape.
  • the pair of power pistons 11 are disposed in the power cylinder 15 so as to reciprocate on the same axis La.
  • the end of the power piston 11 on the side of the generator 30 described later is formed in a truncated cone shape.
  • the displacer pistons 12 are respectively disposed in a pair of displacer cylinders 16 that are disposed to face each other with the intermediate portion of the power cylinder 15 interposed therebetween.
  • the pair of displacer pistons 12 is set to have the same mass and shape.
  • the pair of displacer pistons 12 are disposed in each displacer cylinder 16 so as to reciprocate on the same axis Lb and to reciprocate in a direction perpendicular to the reciprocating direction of the power piston 11. That is, each displacer cylinder 16 is arranged so that its longitudinal direction is orthogonal to the longitudinal direction of the power cylinder 15.
  • the displacer piston 12 has a rod 17 provided at an end portion on the compression space 23 side, which will be described later, and this rod 17 is supported by a guide 18 provided in the displacer cylinder 16 so that the power cylinder is provided from the inside of the compression space 23. 15 is extended.
  • the end of the displacer piston 12 on the side of the expansion space 22 described later is formed in a hemispherical shape.
  • Each displacer cylinder 16 includes a heating unit (heater) 19 provided at one end, a cooling unit (cooler) 20 provided at the other end, and a stack (regenerator) provided between the heating unit 19 and the cooling unit 20. 21).
  • the inside of each displacer cylinder 16 is partitioned by the displacer piston 12 into an expansion space 22 on the heating unit 19 side and a compression space 23 on the cooling unit 20 side.
  • the expansion space 22 and the compression space 23 are divided into the heating unit 19, Communication is made through the stack 21 and the cooling unit 20.
  • the compression space 23 of the displacer cylinder 16 is formed in a space in the power cylinder 15 (between the pair of power pistons 11 via a through hole 24 provided in the displacer cylinder 16 and a through hole 25 provided in the power cylinder 15. A space 26).
  • the phase inversion mechanism 13 transmits the reciprocating motion of the displacer piston 12 to the power piston 11 with the phase inverted.
  • the phase inversion mechanism 13 is a rhombus phase inversion link that connects a pair of power pistons 11 and includes four link members 13a having the same length.
  • the phase inversion mechanism 13 is connected to the power piston 11 in a slit 27 provided at the end of the power piston 11 on the space 26 side in the power cylinder 15.
  • the phase inversion mechanism 13 may connect the rods 17 of the pair of displacer pistons 12.
  • the phase adjustment spring 14 is provided between the displacer piston 12 and the phase reversing mechanism 13 and adjusts the phase of the power piston 11 to be delayed by 90 degrees from the phase of the displacer piston 12 (see FIG. 2).
  • the phase adjustment spring 14 is a leaf spring, one end of which is connected to the rod 17 of the displacer piston 12 and the other end is opposite to the rod 17 across the axis La of the power piston 11 in the phase inversion link. It is connected to the connecting point 28 on the side.
  • the phase adjusting spring 14 is provided between the power piston 11 and the phase reversing mechanism 13.
  • the generators 30 are disposed at both ends of the power cylinder 15 (upper and lower ends in the illustrated example).
  • the generator 30 is a linear motion generator, and includes a stator 32 to which a coil 31 is attached, a mover 34 to which a permanent magnet 33 is attached, and both sides of the mover 34 in the reciprocating direction (in the illustrated example, up and down). And a spiral spring 35 sandwiched from the direction).
  • a pair of power pistons 11 are arranged to face each other, and a pair of displacer pistons 12 are arranged to face each other. For this reason, while the vibrations accompanying the reciprocating motion of the power pistons 11 can be canceled by the power pistons 11, the vibrations accompanying the reciprocating motion of the displacer pistons 12 can be canceled by the displacer pistons 12, and the generation of vibrations can be suppressed. . Moreover, since the Stirling engine 10 according to the present embodiment includes the power piston 11 and the displacer piston 12 for two machines, the output of the Stirling engine 10 can be improved as compared with the conventional product in which the counterweight is arranged.
  • the Stirling engine 10 it is possible to suppress the occurrence of vibration associated with the reciprocating motion of the power piston 11 and the displacer piston 12 without unnecessarily increasing the weight and volume of the Stirling engine 10 as a whole. Is possible.
  • the Stirling engine 10 since the Stirling engine 10 according to the present embodiment includes the phase reversing mechanism 13 and the phase adjusting spring 14, the phase difference between the power piston 11 and the displacer piston 12 can be easily adjusted. This is because it is difficult to stably operate the Stirling engine 10 by adjusting the phase difference between the power piston 11 and the displacer piston 12 only with the gas spring in the space 26 in the power cylinder 15.

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Abstract

　スターリングエンジン全体の重量、体積を無駄に増加させることなく、パワーピストン及びディスプレーサピストンの往復運動に伴う振動の発生を抑制する。　スターリングエンジン（１０）は、パワーシリンダ（１５）内に対向させて一対配置されたパワーピストン（１１）と、パワーシリンダ（１５）を挟んで対向させて配置された一対のディスプレーサシリンダ（１６）内に各々配置されたディスプレーサピストン（１２）と、を備える。

Description

スターリングエンジン
　本発明は、スターリングエンジンに関する。
　フリーピストンスターリングエンジンは、一般的に、パワーシリンダ内を往復運動するパワーピストン（出力ピストン）と、ディスプレーサシリンダ内を往復運動するディスプレーサピストン（ディスプレーサ）とを備える。同スターリングエンジンは、ばねマス系の単振動を利用して作動する。このため、スターリングエンジン全体が大きく振動してしまうので、カウンターウエイトを配置して振動の発生を抑制している（例えば、特許文献１参照）。
特表２００５－５０９７８９号公報
　カウンターウエイトを配置した従来品では、カウンターウエイトは少なくともパワーピストン及びディスプレーサピストンの質量と同程度の質量を必要とすると共に、カウンターウエイトを支持するばね等も必要となる。このため、スターリングエンジン全体の重量、体積が無駄に増加するという問題がある。
　そこで、本発明の目的は、スターリングエンジン全体の重量、体積を無駄に増加させることなく、パワーピストン及びディスプレーサピストンの往復運動に伴う振動の発生を抑制することができるスターリングエンジンを提供することにある。
　前述の目的を達成するために、本発明に係るスターリングエンジンは、パワーシリンダ内に対向させて一対配置されたパワーピストンと、前記パワーシリンダを挟んで対向させて配置された一対のディスプレーサシリンダ内に各々配置されたディスプレーサピストンと、を備えるものである。
　前記スターリングエンジンは、前記ディスプレーサピストンの往復運動を前記パワーピストンに位相を反転させて伝達する位相反転機構と、前記ディスプレーサピストンと前記位相反転機構との間又は前記パワーピストンと前記位相反転機構との間に設けられ、前記パワーピストンの位相が前記ディスプレーサピストンの位相よりも９０度遅れるように調整する位相調整ばねと、をさらに備えるものである。
　本発明によれば、スターリングエンジン全体の重量、体積を無駄に増加させることなく、パワーピストン及びディスプレーサピストンの往復運動に伴う振動の発生を抑制することができるという優れた効果を奏する。
本発明の一実施形態に係るフリーピストンスターリングエンジンの概略構成図である。 パワーピストンとディスプレーサピストンとの位相差を示す図である。
　以下、本発明の好適な実施形態を添付図面に基づいて詳述する。
　図１に示すように、本実施形態に係るフリーピストンスターリングエンジン（以下、単にスターリングエンジンという）１０は、パワーピストン１１と、ディスプレーサピストン１２と、位相反転機構１３と、位相調整ばね１４とを備えている。
　パワーピストン１１は、パワーシリンダ１５内を往復運動するものであり、パワーシリンダ１５内に対向させて一対配置されている。これら一対のパワーピストン１１は、互いに同じ質量、形状となるように設定されている。また、一対のパワーピストン１１は、同一の軸線Ｌａ上を往復運動するようにパワーシリンダ１５内に配置されている。本実施形態では、パワーピストン１１における後述する発電機３０側の端部は、円錐台形に形成されている。
　ディスプレーサピストン１２は、パワーシリンダ１５の中間部を挟んで対向させて配置された一対のディスプレーサシリンダ１６内に各々配置されている。これら一対のディスプレーサピストン１２は、互いに同じ質量、形状となるように設定されている。また、一対のディスプレーサピストン１２は、同一の軸線Ｌｂ上を往復運動し、且つ、パワーピストン１１の往復運動方向と直交する方向に往復運動するように各ディスプレーサシリンダ１６内に配置されている。即ち、各ディスプレーサシリンダ１６は、その長手方向がパワーシリンダ１５の長手方向に対して直交するように配置されている。さらに、ディスプレーサピストン１２は後述する圧縮空間２３側の端部に設けられたロッド１７を有し、このロッド１７は、ディスプレーサシリンダ１６に設けられたガイド１８に支持され、圧縮空間２３内からパワーシリンダ１５内まで延出している。本実施形態では、ディスプレーサピストン１２における後述する膨張空間２２側の端部は、半球形に形成されている。
　各ディスプレーサシリンダ１６は、一端部に設けられる加熱部（ヒータ）１９と、他端部に設けられる冷却部（クーラ）２０と、加熱部１９と冷却部２０との間に設けられるスタック（再生器）２１とを有する。各ディスプレーサシリンダ１６の内部は、ディスプレーサピストン１２により加熱部１９側の膨張空間２２と冷却部２０側の圧縮空間２３とに区画されており、膨張空間２２と圧縮空間２３とは、加熱部１９、スタック２１及び冷却部２０を介して連通されている。さらに、ディスプレーサシリンダ１６の圧縮空間２３は、ディスプレーサシリンダ１６に設けられた貫通孔２４、及びパワーシリンダ１５に設けられた貫通孔２５を介して、パワーシリンダ１５内の空間（一対のパワーピストン１１間に区画される空間）２６と連通されている。
　位相反転機構１３は、ディスプレーサピストン１２の往復運動をパワーピストン１１に位相を反転させて伝達するものである。本実施形態では、位相反転機構１３は、一対のパワーピストン１１同士を連結する菱形の位相反転リンクであり、互いに長さが等しい四つのリンク部材１３ａから構成されている。また、位相反転機構１３は、パワーピストン１１におけるパワーシリンダ１５内の空間２６側の端部に設けられたスリット２７内においてパワーピストン１１に連結されている。なお、位相反転機構１３は、一対のディスプレーサピストン１２のロッド１７同士を連結するものであっても良い。
　位相調整ばね１４は、ディスプレーサピストン１２と位相反転機構１３との間に設けられ、パワーピストン１１の位相がディスプレーサピストン１２の位相よりも９０度遅れるように調整するものである（図２参照）。本実施形態では、位相調整ばね１４は、板ばねであり、一端がディスプレーサピストン１２のロッド１７に連結され、他端が位相反転リンクにおけるパワーピストン１１の軸線Ｌａを挟んで当該ロッド１７とは反対側の連結点２８に連結されている。なお、位相反転機構１３が一対のディスプレーサピストン１２のロッド１７同士を連結するものである場合には、位相調整ばね１４はパワーピストン１１と位相反転機構１３との間に設けられる。
　また、本実施形態に係るスターリングエンジン１０では、パワーシリンダ１５の両端部（図示例では、上端部及び下端部）に各々、発電機３０が配置されている。発電機３０は、直動発電機であり、コイル３１が装着された固定子３２と、永久磁石３３が装着された移動子３４と、移動子３４を往復運動方向の両側（図示例では、上下方向）から挟み込むスパイラルスプリング３５とを有する。
　次に、本実施形態に係るスターリングエンジン１０による作用効果について説明する。
　フリーピストンスターリングエンジンの基本的な動作原理は公知であるので、ここではパワーピストン１１及びディスプレーサピストン１２の動作のみについて説明する。
　先ず、一対配置したディスプレーサピストン１２の内の図１中右側のディスプレーサピストン１２が左方に移動するときには、図１中左側のディスプレーサピストン１２は右方に移動する。また、一対配置したパワーピストン１１の内の図１中上側のパワーピストン１１はディスプレーサピストン１２に対して９０度の位相遅れを持って下方に移動され、図１中下側のパワーピストン１１はディスプレーサピストン１２に対して９０度の位相遅れを持って上方に移動される。
　一方、一対配置したディスプレーサピストン１２の内の図１中右側のディスプレーサピストン１２が右方に移動するときには、図１中左側のディスプレーサピストン１２は左方に移動する。また、一対配置したパワーピストン１１の内の図１中上側のパワーピストン１１はディスプレーサピストン１２に対して９０度の位相遅れを持って上方に移動され、図１中下側のパワーピストン１１はディスプレーサピストン１２に対して９０度の位相遅れを持って下方に移動される。
　本実施形態に係るスターリングエンジン１０では、パワーピストン１１同士を対向させて一対配置すると共に、ディスプレーサピストン１２同士を対向させて一対配置している。このため、パワーピストン１１同士によりパワーピストン１１の往復運動に伴う振動を打ち消すと共に、ディスプレーサピストン１２同士によりディスプレーサピストン１２の往復運動に伴う振動を打ち消すことができ、振動の発生を抑制することができる。また、本実施形態に係るスターリングエンジン１０は、二機分のパワーピストン１１及びディスプレーサピストン１２を備えるので、カウンターウエイトを配置した従来品と比較してスターリングエンジン１０の出力を向上させることもできる。
　一方、カウンターウエイトを配置した従来品では、カウンターウエイトに振動抑制の機能しかないため、スターリングエンジン全体の重量が単に増加し、且つ、スターリングエンジンの出力も向上しない。
　即ち、本実施形態に係るスターリングエンジン１０によれば、スターリングエンジン１０全体の重量、体積を無駄に増加させることなく、パワーピストン１１及びディスプレーサピストン１２の往復運動に伴う振動の発生を抑制することが可能である。
　さらに、本実施形態に係るスターリングエンジン１０は位相反転機構１３及び位相調整ばね１４を備えるので、パワーピストン１１とディスプレーサピストン１２との位相差の調整が容易になる。パワーシリンダ１５内の空間２６のガスばねだけでは、パワーピストン１１とディスプレーサピストン１２との位相差を調整してスターリングエンジン１０を安定作動させることは難しいためである。
　以上、本発明の好適な実施形態について説明したが、本発明は前述の実施形態には限定されず他の様々な実施形態を採ることが可能である。
１０　フリーピストンスターリングエンジン
１１　パワーピストン
１２　ディスプレーサピストン
１３　位相反転機構
１４　位相調整ばね
１５　パワーシリンダ
１６　ディスプレーサシリンダ

Claims (2)

  1. 　パワーシリンダ内に対向させて一対配置されたパワーピストンと、
    　前記パワーシリンダを挟んで対向させて配置された一対のディスプレーサシリンダ内に各々配置されたディスプレーサピストンと、
    　を備えるスターリングエンジン。
  2. 　前記ディスプレーサピストンの往復運動を前記パワーピストンに位相を反転させて伝達する位相反転機構と、
    　前記ディスプレーサピストンと前記位相反転機構との間又は前記パワーピストンと前記位相反転機構との間に設けられ、前記パワーピストンの位相が前記ディスプレーサピストンの位相よりも９０度遅れるように調整する位相調整ばねと、
    　をさらに備える請求項１に記載のスターリングエンジン。
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